專利名稱：帶有氣密封接的應(yīng)力隔絕座以保護(hù)傳感器芯的壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地說涉及壓力傳感器，俱體地說，涉及到一種帶有傳感器芯元件的電子壓力傳感器，它通過一個(gè)氣密封接的應(yīng)力隔絕座來防止上述傳感器芯受惡劣環(huán)境的影響。
聯(lián)邦政府法規(guī)要求，到1996年美國所銷售的每輛小汽車和輕型卡車上都得裝配汽車燃料系統(tǒng)的氣體壓力傳感器。燃料系統(tǒng)的石化環(huán)境是非常惡劣的。如所周知，已生產(chǎn)出不受有害化學(xué)環(huán)境影響的機(jī)械式壓力傳感器。但是，機(jī)械傳感器很昂貴并表現(xiàn)為帶有一應(yīng)力儀壓電式傳感器芯的笨重金屬外殼。這種傳感器的尺寸與成本使得它無法在汽車上應(yīng)用。
由于集成電路的成本、尺寸及可靠性方面的優(yōu)點(diǎn)。所以希望把電子傳感器技術(shù)用于汽車應(yīng)用中的石化環(huán)境。電子壓力傳感器可在大氣環(huán)境中使用。但是，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)來說，將電子壓力傳感器用于石化環(huán)境就會(huì)出新問題。一個(gè)問題是與這種傳感器相關(guān)的互聯(lián)點(diǎn)的整體性。當(dāng)前對(duì)電子壓力傳感器的使用可允許傳感器引線接頭、封裝引線與所要傳感的無害壓力介質(zhì)作緊密接觸。來已證明，與有害化學(xué)物質(zhì)的任何接觸都會(huì)使傳感器過早地?fù)p壞。
還希望能將電子壓力傳感器技術(shù)擴(kuò)大至包括種種氣體在內(nèi)的高壓應(yīng)用。在這種情況下，所述傳感器芯與互聯(lián)點(diǎn)的脆弱性，則會(huì)產(chǎn)生常常導(dǎo)致傳感器過早損壞的應(yīng)力問題。
所以，需要一種低成本且可靠的能在有害化學(xué)及壓力環(huán)境中使用的氣密封接壓力傳感器。


圖1是一氣密封接的電子壓力傳感器的俯視圖;
圖2是圖1的電子壓力傳感器的剖面圖;
圖3說明圖2中傳感器芯的進(jìn)一步的細(xì)節(jié);而圖4說明帶有一批接收共同表壓的背對(duì)背壓力傳感器的另一個(gè)實(shí)施例。
本發(fā)明提供了一種氣密封接的電子壓力傳感器，這種傳感器用于探測廣范圍的流體或氣體的壓力并給出表示外加壓力的電信號(hào)。有一壓敏半導(dǎo)體芯片用具有相似熱膨脹系數(shù)的粘合劑粘接在壓力隔絕座上并在該隔絕座與傳感器芯之間形成氣密封接。所述應(yīng)力隔絕座包括一孔口，此孔口為用作于上述半導(dǎo)體傳感器芯的壓力孔口。用半剛性的粘合劑將上述應(yīng)力隔絕座粘接到封裝主體上，以便在這一塑料封裝主體與應(yīng)力隔絕座之間提供應(yīng)力絕緣和氣密封接。在上述傳感器芯與封裝引線之間通過引線接頭而形成接續(xù)的電連接，以便將電信號(hào)傳遞給封裝主體上的外部連接線上。
在不影響其可靠性及性能的情況下，所說的壓力傳感器可以檢測各種類型流體與氣體的廣泛范圍的壓力，通常這些流體和氣體被認(rèn)為對(duì)上述傳感器的部件有害。這類有害化學(xué)物質(zhì)的實(shí)例包括氯化鈣、銅、蒸餾水、乙醇、乙二醇、甲酸、液壓油、吲哚烯烴、異辛烷、甲醇、氯化鈉、硝酸、硫酸、異丁基過氧化氫、叔丁基甲醚、甲苯、二甲苯以及鋅。
參照?qǐng)D1，它示明了壓力傳感器10的俯視圖，該傳感器包括一應(yīng)力隔絕座12，此隔絕座沿外周邊安裝在封裝體16的邊緣14上。傳感器芯18安裝在應(yīng)力隔絕座12的下側(cè)。應(yīng)力隔絕座12被表示成透明的了。因此，可以從該俯視圖中看到邊緣14和傳感器芯元件18。位于應(yīng)力隔絕座12中心的孔口20為外部壓力到達(dá)傳感器芯18提供了一個(gè)孔口。用玻璃粘合劑將傳感元件18粘接到應(yīng)力隔絕座12上以便在孔口20周圍形成氣密封接。傳感器芯18檢測通過孔口20外加的壓力與位于封裝主體16空腔內(nèi)的參照壓力之間壓力差。傳感器芯18將所檢測到的壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，此電信號(hào)表示該傳感器兩端的壓力差。
封裝主體16由酚醛環(huán)氧樹脂模制而成并為傳感器芯18提供了一個(gè)外殼及電連接。用于封裝主體16的其它材料包括有機(jī)環(huán)氧樹脂，填充有無機(jī)物的彈性體以及具極性和非極性的化學(xué)穩(wěn)定性的陶瓷。接合引線22、24、26和28最好由金制成并用通常的集成電路焊接技術(shù)連接到位于傳感器芯18下側(cè)處的鋁焊墊上。接合引線22、24、26和28還分別與封裝主體的銅引線30、32、34和36相電連接。
應(yīng)力隔絕座12由這樣的材料制成，它具有與傳感器芯18相似的熱膨脹系數(shù)。用于應(yīng)力隔絕座12的，通過使熱膨脹系數(shù)相匹配而能提供應(yīng)力絕緣的適當(dāng)材料，包括硼硅酸鹽玻璃、各種等級(jí)的氧化鋁，堇青石以及滑石。用半剛性的粘合劑40將應(yīng)力隔絕座12安裝在封裝主體16的邊緣14上，所說的粘合劑能氣密封隔封裝主體16的內(nèi)部空腔，從而使接合引線22-28以及位于傳感器芯18后側(cè)處的壓電傳感線路(網(wǎng)絡(luò))(圖1中未顯示出)免受有害化學(xué)物質(zhì)的影響。應(yīng)力隔絕座12還必須具有不滲透的特性，而得以在提供極性與非極性化學(xué)穩(wěn)定性的同時(shí)保持氣密封接的特性。用來形成應(yīng)力隔絕座12的材料最好能模制出或鉆出孔口20。
參照?qǐng)D2，它是壓力傳感器10的一個(gè)剖面圖。應(yīng)力隔絕座12與邊緣14之間的熱粘合劑40由于能使封裝主體16作獨(dú)立的熱膨脹，從而可使應(yīng)力隔絕并且提供了極性和非極性的化學(xué)穩(wěn)定性。適用于通過使熱膨脹系數(shù)相匹配而形成應(yīng)力隔絕的粘合劑40的材料，包括剛性的半剛性的環(huán)氧樹脂和人造橡膠。用玻璃粘合劑42圍繞應(yīng)力隔絕座12的周邊將傳感器芯18粘接到該座的下側(cè)。粘合劑42必須具有非孔性以便保持應(yīng)力隔絕座12與傳感器芯18之間的氣密封接和應(yīng)力匹配。粘合劑42最好采用鉛鈦酸鹽玻璃與各種鉛硼酸玻璃之類的材料，這類材料具有與傳感器芯18及應(yīng)力隔絕座12相同的熱膨脹系數(shù)，同時(shí)還能提供極性與非極性的化學(xué)穩(wěn)定性。
圖2中的接合引線26連接在傳感器芯18后側(cè)的通常焊接點(diǎn)與封裝主體的引線34之間。封裝主體16的后側(cè)包括一通向壓力傳感器10內(nèi)部空腔的壓力入口48。壓力入口48一般與一外部參照壓力源相連接。相對(duì)著傳感器芯18的后側(cè)施加外部表壓以便測出經(jīng)由通孔20的外加壓力與進(jìn)入入口48的壓力之間的壓力差。
圖3說明了傳感器芯18的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。傳感器芯18由一側(cè)經(jīng)過微型機(jī)加工的硅片制成，以便設(shè)置傳感膜50。在傳感器芯18的下側(cè)形成有壓電壓力傳感線路52。一旦施加的流體或氣體的壓力差使壓電線路52的電阻膜發(fā)生變化，傳感膜50就會(huì)彎曲并導(dǎo)致各個(gè)電阻中電流量的相應(yīng)變化。沿著壓電線路52的電阻通路形成電流分接點(diǎn)或電連接點(diǎn)。在接合引線22-28的連接點(diǎn)與位于通常焊墊處的傳感器芯18之間的接合處限定出所說的電連接點(diǎn)。上述電流量的變化表現(xiàn)為壓電線路52的電流分接點(diǎn)上的電位差。所說的電流分接點(diǎn)通過接合引線22-28被分別電連接于封裝主體的電引線30-36上。
壓電線路52包括一內(nèi)植式換能器，若干薄膜沉積式的電阻、金屬蒸鍍膜以及鋁蒸鍍的焊墊。用噴涂鋁將上述換能器、電阻以及焊點(diǎn)連接起來。壓電線路52的功能是根據(jù)外加的壓力差來探測傳感膜50的彎曲，并作為該外加的壓力差的函數(shù)形式，為兩個(gè)封裝主體引線之間的電壓所感生的直流電流提供可變電阻的通路。
本發(fā)明的關(guān)鍵特點(diǎn)是使壓電線路52，接合引線22-28以及有關(guān)的焊點(diǎn)免受經(jīng)由孔口20進(jìn)入的有害化學(xué)物質(zhì)的影響。用粘合劑40在邊緣14和應(yīng)力隔絕座12之間形成的氣密封接，以及用粘合劑42在傳感器芯18與應(yīng)力隔絕座12之間形成氣密封接，便為壓電線路52和接合引線22-28提供了所需的絕緣。進(jìn)入通孔20的有害化學(xué)物質(zhì)與傳感膜50接觸，確定出作用在壓電線路52上的壓力，而產(chǎn)生出上所述一類電信號(hào)，但該有害化學(xué)物質(zhì)則因所述的氣密封接而不會(huì)靠近前述敏感的互聯(lián)點(diǎn)。
圖4中，示明了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，它是一種帶有共同表壓力入口56的雙封裝壓力傳感器。圖4中以相同參照序號(hào)標(biāo)明具有與圖1-3中所述相似功能的部件。這里的壓力傳感器封裝包括兩個(gè)完全背對(duì)背傳感器芯18和60。傳感器芯60的結(jié)構(gòu)與工作方式同對(duì)傳感器芯18所作的說明一樣。入口56為傳感器芯18和60提供了共用的外部壓力。每個(gè)傳感器芯18和60均測定相應(yīng)內(nèi)部空腔中的共用表壓與分別施加給通孔20和62之間的壓力差。傳感器芯18通過接合引線26與上述封裝引線34相連接。傳感器芯60則通過接合引線64與封裝引線66相連接以便指示傳感器芯60上的壓力差。
至此，應(yīng)該注意，所說的壓力傳感器包括一個(gè)與其外殼相隔絕的應(yīng)力隔絕座，從而使壓電線路及互聯(lián)點(diǎn)免受苛刻條件的影響。所述的壓力傳感器封裝在多種有害環(huán)境中為電子壓力傳感器芯提供了保護(hù)，而所說的有害環(huán)境則包括燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)具有腐蝕性的蒸氣及液體化合物之類的制冷/制熱系統(tǒng)，以及可以是極性、非極性或兩者相結(jié)合的化工原料。與傳感器芯和應(yīng)力隔絕座有著同樣熱膨脹系數(shù)的玻璃粘合劑為此應(yīng)力隔絕座與傳感器芯之間提供了氣密封接及應(yīng)力匹配。所述應(yīng)力隔絕座上的通孔使壓力源能夠接觸傳感器芯。所說的壓力傳感器封裝包括一入口，此入口通向前述空腔的內(nèi)部以形成所說的壓力差。此外，所說的傳感器封裝也可以包含多個(gè)傳感器芯，這些傳感器芯共用經(jīng)由入口施加給所述內(nèi)部空腔的共同表壓。
盡管上面已給出并說明了本發(fā)明的特定實(shí)施例，但是，對(duì)本項(xiàng)技術(shù)的專家來說，還可以作出其它的變型與改進(jìn)型式。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明并不局限于所示的具體形式，并把后附的權(quán)利要求書看作是它概括了所有不脫離本發(fā)明精神與范圍的改進(jìn)型式。
權(quán)利要求
1.一種壓力傳感器，特征在于，它包括一個(gè)帶有孔口(20)的應(yīng)力隔絕座(12)，而所說的孔口用于接收第一壓力；一個(gè)傳感器芯(18)，此傳感器芯用第一粘合劑(42)安裝在上述應(yīng)力隔絕座上，以便從上述應(yīng)力隔絕座的孔口中接收前述第一壓力；以及一封裝主體(16)，此封裝主體帶有邊緣，該邊緣用于通過第二粘合劑來安裝前述應(yīng)力隔絕座，而所說的第二粘合劑則能形成氣密封接以保護(hù)位于上述封裝主體之內(nèi)部空腔中的傳感器芯。
2.如權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，特征在于，所說的封裝主體包括一第二孔口(48)，此孔口用于接收第二壓力，使上述傳感器芯上的形成壓力差。
3.如權(quán)利要求2所述的壓力傳感器，特征在于所說的傳感器芯包括一個(gè)傳感膜(50)，此傳感膜隨所說的壓力差而彎曲;一個(gè)安裝在上述傳感膜上的壓電線路(52)，此線路隨著前述傳感膜的彎曲而改變電阻;以及多個(gè)接合引線(22-28)，這些接合引線連接在上述壓電線路的分接點(diǎn)與封裝主體導(dǎo)電引線之間。
4.如權(quán)利要求3所述的壓力傳感器，特征在于所說的應(yīng)力隔絕座由玻璃制成，而所說的玻璃則具有與上述傳感器芯相似的熱膨脹系數(shù)。
5.一種密封壓力傳感器的方法，特征在于，它包括以下步驟提供一帶有孔口的應(yīng)力隔絕座(12)，而所說的孔口則用于收接一第一壓力;用第一粘合劑(42)將傳感器芯(18)裝配到上述應(yīng)力隔絕座的開孔口上以便接收前述第一壓力;以及用第二粘合劑將前述壓力隔絕座安裝到封裝主體(16)的邊緣上，所說的第二粘合劑能形成密封以保護(hù)位于上述封裝主體內(nèi)部空腔中的傳感器芯。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，特征在于它還包括下列步驟在上述封裝主體上設(shè)置一第二孔口(48)以便接收第二壓力，從而在上述傳感器芯上形成壓力差。
7.一種壓力傳感器，特征在于，它包括一個(gè)第一傳感器芯(18)，此傳感器芯具有第一和第二表面，以便探測第一與第二壓力之間的壓力差;一個(gè)第二傳感器芯(60)，此傳感器芯具有第一和第二表面，以便探測上述第二壓力與第三壓力之間的壓力差;以及一個(gè)帶有第一和第二孔口的封裝主體(56)，此封裝主體用于安裝上述第一和第二傳感器芯，而所說的孔口則分別用于接收前述第一和第三壓力，所說的封裝主體還包括一第三孔口，此孔口用于接收前述第二壓力。
8.如權(quán)利要求7所述的壓力傳感器，特征在于，它還包括一個(gè)帶有孔口的應(yīng)力隔絕座(12)，所說的孔口用于接收前述第一壓力。
9.如權(quán)利要求8所述的壓力傳感器，特征在于其中第一粘合劑(42)將所說的第一傳感器芯安裝到前述應(yīng)力隔絕座上以便從該應(yīng)力隔絕座的孔口中接收前述第一壓力。
全文摘要
一種通過用有相似熱膨脹系數(shù)的粘合劑將傳感器芯裝到應(yīng)力隔絕座上而改進(jìn)了的電子壓力傳感器。所說的粘合劑為應(yīng)力隔絕座與壓力傳感器芯之間提供了密封。應(yīng)力隔絕座上的孔口為施加給傳感元件的壓力提供一個(gè)開口。通過半剛性的粘合劑將應(yīng)力隔絕座裝至塑料的封裝體從而為包裝體與應(yīng)力隔絕座之間的形式應(yīng)力隔絕和密封。進(jìn)入上述開口的有害化學(xué)物質(zhì)會(huì)接觸傳感器芯的裸露薄膜，但是，該有害物質(zhì)因所說氣密封接而不會(huì)靠近前述敏感的互聯(lián)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01L9/08GK1112236SQ9510380
公開日1995年11月22日 申請(qǐng)日期1995年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1994年4月4日
發(fā)明者克萊姆·H·布勞恩, 戴維·L·沃里斯 申請(qǐng)人:莫托羅拉公司